51248

Основи радіоелектроніки. Методичні вказівки

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Обидва ці закони являють собою лінійні залежності і їх використання приводить до лінійних алгебраїчних рівнянь. Використання нелінійних систем разом з вузькосмуговими лінійними фільтрами які виділяють окремі гармонічні складові або групи гармонік дозволяє здійснювати такі перетворення як випрямлення змінного струму помноження частоти сигналу а також модуляцію перетворення частоти та детектування котрі широко застосовуються при передачі інформації по каналам зв’язку. В його складі будуть тепер присутні не лише вищі гармоніки вхідних...

Украинкский

2014-02-08

1.56 MB

6 чел.

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

Радіофізичний факультет

Методичні вказівки

до лабораторних робіт

з курсу

Основи радіоелектроніки

Для студентів 3 курсу

радіофізичного факультету

Київ

2004

Лабораторна робота № 2

ОСНОВНІ  НЕЛІНІЙНІ  ПЕРЕТВОРЕННЯ  КОЛИВАНЬ

У  РАДІОТЕХНІЧНИХ  КОЛАХ

МЕТА  РОБОТИ

    На лабораторному макеті ознайомитися з основними нелінійними перетвореннями коливань у радіотехнічних колах, де як нелінійний елемент використовується біполярний  транзистор.

1.   ЗАГАЛЬНІ  ПОЛОЖЕННЯ

    Відомо, що повне дослідження процесів у складних електричних колах зводиться до розв’язку рівнянь, які складаються на основі законів Ома і Кірхгофа. Обидва ці закони являють собою лінійні залежності, і їх використання  приводить до лінійних алгебраїчних рівнянь.  Якщо величина хоча б одного з параметрів рівняння (хоча б одного з елементів кола) буде залежати від змінної (наприклад, сили струму), то все рівняння виявиться нелінійним, а коло, що описується таким рівнянням, називають нелінійним.

     Застосування нелінійних кіл в електричних системах дозволяє проводити цілу низку перетворень сигналу. Всі вони пов’язані зі зміною його спектру. До таких перетворень можна віднести задачі стабілізації напруги і струму, створення сигналу певної форми з сигналу іншого вигляду (зокрема,  гармонічного). Використання нелінійних систем разом з вузькосмуговими лінійними фільтрами, які виділяють окремі гармонічні складові або групи гармонік, дозволяє здійснювати такі перетворення як випрямлення змінного струму, помноження частоти сигналу, а також модуляцію, перетворення частоти та детектування, котрі широко застосовуються при передачі інформації по каналам  зв’язку.

     Нелінійними властивостями можуть володіти елементи електричного кола будь-якого типу (опір, індуктивність, ємність).

1. 1.    Проходження сигналів у нелінійних електричних колах

Проходження  будь-якого електричного сигналу (в тому числі і гармонічного) через нелінійне коло пов’язане зі зміною його форми в часі, тобто зі зміною його спектру. Гармонічний сигнал, зберігаючи періодичність з періодом  , перестає бути синусоїдальним. Подібне спотворення форми можна описати як появу у сигналі вищих гармонічних складових (гармонік)  з частотами    ………..

    Якщо сигнал складається  не з однієї, а з декількох гармонічних складових  (наприклад, з двох з частотами   і ), то комплект частот, тобто спектр сигналу,  при проходженні через нелінійний елемент збагачується  та ускладнюється. В його складі будуть тепер присутні не лише вищі гармоніки вхідних сигналів ,,….. і  , , ……,  але і їх комбінаційні складові  , де  

    Розглянемо докладніше процес проходження через нелінійний чотириполюсник двох гармонічних сигналів з частотами   і   (рис. 1). Нехай до входу чотириполюсника прикладена змінна напруга

                (1)

а також постійна напруга  .

Струм  на виході чотириполюсника є функцією сумарної напруги  

                 (2)

де вигляд функції   визначається прохідною характеристикою чотириполюсника.

Будемо вважати, що змінна складова напруги   набагато менша від її постійної складової   

                            (3)

Тоді можна використати розклад функції   у ряд Тейлора в околі робочої точки  

          (4)

 де                         

    За своїм фізичним змістом величина    є крутість прохідної характеристики в околі робочої точки. Величина     пропорційна до кривини функції   в околі робочої точки і надалі називатимемо її кривиною.

Підставивши  (1) у  (4), маємо

             (5)

                     

і, використовуючи відомі формули тригонометрії

;          

                                                                                      

одержуємо

  (6)

Видно, що, окрім початкових частот    і   ,  у спектрі струму з’явилися другі гармоніки    і   ,  а також комбінаційні частоти   та  . Постійна складова струму збільшилась на  .

Урахування кубічного члена ряду (4) призвело б до появи складових з частотами   і  ,  а також нових комбінаційних частот   і    та деякої зміни перших гармонік.

1. 2.   Помноження частоти

                                            

     Розглянемо випадок, коли є тільки один сигнал з частотою  , тобто  . Хоча періодичність сигналу на виході чотириполюсника зберігається, форма його стає відмінною від синусоїдальної за рахунок виникнення вищих гармонік. Кількісною мірою такого псування сигналу є   так званий   коефіцієнт   нелінійних  спотворень – клірфактор.

     Нелінійні спотворення гармонічного сигналу з частотою   можна використати для одержання на виході нелінійного чотириполюсника коливань з частотами  ,   (рис. 2), настроївши вихідний контур на частоту  

                                                                                        

    Перша гармоніка струму    (а також усі інші гармоніки, відмінні від другої) будуть  вільно проходити через контур, не створюючи на ньому істотного спаду напруги, тоді як для другої гармоніки контур буде значним еквівалентним опором   і спад напруги на ньому дорівнюватиме

                    (7)

    Урахування кубічного члена в (4) або (5) дозволяє оцінити амплітуду третьої гармоніки у струмі    і той спад напруги, який вона може створити на контурі, настроєному на цю гармоніку. Але амплітуда гармонік і ефективність помноження частоти швидко зменшуються із зростанням номера гармоніки і тому помноження з   на практиці звичайно не використовується.

  1.  3.   Амплітудна модуляція

    Модуляцією називають зміну одного з параметрів гармонічного високочастотного сигналу (амплітуди, фази або частоти) відповідно до закону зміни деякого другого низькочастотного сигналу.

    Так, наприклад, під амплітудною модуляцією (АМ) розуміють зміну амплітуди високочастотного сигналу   (рис. 3а) за законом зміни деякого низькочастотного сигналу. У даному випадку за такий взято гармонічний сигнал , у якого   (рис. 3б). В результаті одержується високочастотний сигнал з амплітудою, що змінюється у часі і описується виразом (8) (рис. 3в):

  (8)

                                                       

          

                                                                                                                                                                             

                                      

                                                                                                                                                                                                               

             .                                                                                                       

                   

                                                            

            

     Величина                  має            назву          глибини        модуляції       і           дорівнює  

де   та   - найбільше і найменше значення амплітуди модульованих коливань.  Величина   має бути пропорційною до амплітуди низькочастотного сигналу  .

    Амплітудну модуляцію можна одержати за допомогою нелінійного елементу, якщо зберегти не тільки частоту  , але і близькі до неї комбінаційні частоти      .  Це можна здійснити за допомогою  схеми, подібної до зображеної на рис.2, треба лише контур настроїти на частоту  . Але смуга пропускання контуру має бути досить широкою, аби в ній вклалися комбінаційні частоти    і разом з тим досить вузькою, щоб до неї не потрапили ані низькочастотний сигнал, ані другі гармоніки від   і    (рис. 4)

Тоді, вважаючи, що контур являє собою однаковий еквівалентний опір    для всіх цих трьох частотних складових (це буде справедливо, якщо  ,  де   - добротність навантажувального контуру), одержимо вираз для спаду напруги на виході схеми

                      

      

     Як видно, ми дійсно отримали наведений вище вираз (8) для амплітудно-модульованих коливань. Глибина модуляції, як і треба було, виявилася пропорційною до амплітуди низькочастотного сигналу  .

    Реально здійснити амплітудну модуляцію можна за допомогою схеми, зображеної на рис.5. Роль нелінійного чотириполюсника в ній відіграє транзистор, увімкнений за схемою СЕ.

                                                                                                                

Якщо вилучити з неї трансформатор Тр2, за допомогою якого низькочастотний сигнал уводиться в коло бази, то ця схема є не що інше, як звичайний резонансний підсилювач. Робоча точка транзистора встановлюється дільником  , а ємність  підтримує напругу   постійною в часі. Коефіцієнт такого підсилювача дорівнює  , де  , a   – крутість прохідної характеристики транзистора в околі робочої точки.

    Новація тут в тому, що положення робочої точки визначається тепер не лише постійною напругою, що утворюється дільником   , але і напругою низькочастотного сигналу з вторинної обмотки трансформатора Тр2. Ця напруга пересуває робочу точку в такт з НЧ сигналом вгору і вниз по прохідній характеристиці (рис. 6а), переводячи її з області малих   у область, де крутість велика. Відповідно до цього змінюється коефіцієнт підсилення і амплітуда змінної складової напруги на колекторі, досягаючи максимуму у моменти, коли миттєве значення НЧ сигналу   стає максимальним (рис.6б). Контур виділяє змінні ВЧ складові, близькі за частотою до  , і напруга на виході набуває тепер вигляду чистих амплітудно-модульованих коливань (рис.6в)    Амплітуда цих коливань змінюється в такт із змінами крутості  , яка, в свою чергу, визначається миттєвим значенням НЧ сигналу .

Отже, зображену на рис. 5 схему можна розглядати як резонансний підсилювач, в якому коефіцієнт підсилення    керується напругою модулюючого низькочастотного сигналу.

                                                                                

                                                                                                                             

1. 4 .   Перетворення частоти.

        При довільних значеннях частот   і    утворені комбінаційні частоти    та можуть далеко відстояти як одна від одної, так і від початкових частот   і  .

    Використовуючи схему подібну до зображеної на рис. 5 і настроюючи контур на одну з комбінаційних частот, можна виділити її в чистому вигляді. Цей процес має назву  перетворення частоти. Напруга перетвореного сигналу дорівнюватиме

               (10)

 де    і     -  амплітуди вхідних сигналів

                     -  еквівалентний    опір  навантажувального    контуру        для    

                                відповідної  комбінаційної частоти

У реальних схемах перетворювачів частоти як нелінійні елементи звичайно використовуються транзистори або напівпровідникові діоди.

    Найважливішою є та обставина, що коли один із взаємодіючих сигналів буде промодульованим за амплітудою,  то ця амплітудна модуляція повністю переходить на новоутворені комбінаційні частоти. Дійсно, якби амплітуда одного з вхідних сигналів, наприклад,  , була б залежною від часу, то, згідно з (10), пропорційно до неї змінювалася б також і амплітуда комбінаційного сигналу  .

 

  1.  5.    Детектування

    Детектування – це процес обернений до модуляції. При детектуванні з модульованого сигналу видобувається низькочастотний сигнал , який, власне, і несе корисну інформацію.

                                               

Детектування за допомогою нелінійного елементу. Для розгляду цього процесу треба використати загальний вираз  (6) для струму через нелінійний елемент. Нехай  ,  а    є амплітудою високочастотних коливань, промодульованих низькочастотним сигналом з частотою  :

Фігуруючий у виразі  (6)  член    матиме вигляд:

                       (11)

     Постійна часу  -комірки обирається такою, щоб вона була значно більшою від періоду  ВЧ коливань і значно меншою від періоду НЧ сигналів

            

    Як видно, у струмі нелінійного елементу   , зображеного на рис.7, присутня компонента  , яка має частоту модулюючого сигналу і пропорційна його амплітуді.    Це вказує на те, що будь-який нелінійний елемент спроможний до детектування амплітудно-модульованих сигналів.       

2.  ОПИС  МАКЕТУ  СХЕМИ                                                                                                                                      

                                                                                                                                 

    Макет побудовано на    транзисторі.  Живлення  на макет подається через ключ  “к1”  від джерела живлення  . Робоча точка на прохідній характеристиці транзистора встановлюється базово-емітерною напругою з потенціометра  , і базовий струм    вимірюється міліамперметром.

На базу може бути подана змінна напруга від гетеродину (через трансформатор  Тр), а також через вхід макету і ємність    від НЧ- генератора типу Г3-33  або ВЧ- генератора типу Г4-18А.* )

Через ключ  к2  до колектора транзистора приєднується або 1-й контур , настроєний на частоту   (положення ключа «1»),  або 2-й контур  з резонансною частотою   (положення ключа «2»).  Сигнал, що утворюється на виході контура, проходячи  через розділову ємність  ,  може бути виміряний вольтметром В3-38, який приєднується до клеми  ,  або може спостерігатися на осцилографі Н3015, що приєднується до клеми «Осц.»  через ємність  .

Для спостереження процесу детектування на вхід макету подається з виходу ВЧ генератора амплітудно-модульований ВЧ-сигнал, а результат детектування спостерігається осцилографом на виході НЧ-фільтра  , який приєднаний до колектора транзистора.

* )    Розділова ємність    необхідна для того, щоб постійний струм    не потрапляв на генератори, що приєднуються до входу макету.

ЗАВДАННЯ  ТА  ПОРЯДОК  ВИКОНАННЯ  РОБОТИ

  1.     Уважно ознайомитися  з макетом принципової   схеми;  зрозуміти призначення всіх

його елементів; перевірити правильність підключення вимірювальних приладів до схеми. Увімкнути джерело живлення вимірювальних приладів для прогрівання (10-15хвил.).

Примітка:    а)  як   нелінійний   елемент  використовується    емітерно-базовий  перехід транзистора, робоча точка на його прохідній характеристиці   вибирається     шляхом  задання     базового     струму    ;

    б)  гетеродин перед початком вимірів треба відключити.

  1.    Підключити  до входу  схеми  ВЧ-генератор Г4-18А,    а     до виходу –     вольтметр

В3-38 і осцилограф  Н3015. Увімкнути джерело живлення схеми (ключ к1). Виміряти резонансні    криві    обох    контурів     при         і   вхідній   напрузі     .   

   Визначити  резонансні частоти і смуги пропускання контурів     (Макет  тут працює  як    

  резонансний підсилювач)

  1.    Виміряти      частоту     коливань  гетеродину,       для  чого увімкнути гетеродин та  

підключити частотомір (мультиметр ВР-ІІ) до бази транзистора.

  1.    Установити на виході  НЧ-генератора Г3-33  коливання з  напругою      UВХ < 50мВ.

Підключити генератор до входу схеми і  здійснити   амплітудну    модуляцію коливань гетеродину  в діапазоні частот  .  Визначити за допомогою осцилографа глибину модуляції для частот    .

   Примітка:      зверніть   увагу на   те, який    саме контур треба підключити  до     виходу      

   транзистора при дослідженні амплітудної модуляції.

  1.  Експериментально   показати   можливість    помноження   частоти  на 2   та на 3  за

допомогою нелінійного елементу. Виміряти залежність величини 2-ої  та  3-ої  гармонік  від   величини  базового струму     ().

        З цією метою,   відключивши  гетеродин і приєднавши   до  колектора     1-й   контур,

    подати на вхід макета від ВЧ генератора немодульовані коливання з частотою      вдвічі

    і втричі меншою від .  Проробити те  ж   саме з 2-м контуром .

     Побудувати графіки    разом для обох гармонік, пояснити їх.

  1.   Здійснити    перетворення   частоти,  визначивши  перед  цим       потрібну  частоту

сигналу     та дзеркальну частоту        ().

         З  цією   метою   увімкнути  гетеродин   і   приєднати     до    колектора 1-й   контур  з

    частотою  .    Подавати  на  вхід  макету  від  ВЧ генератора  коливання, які б за своєю

    частотою відповідали або основному      сигналу  ,      або дзеркальному       .  Тут   

    частота    відіграє роль проміжної частоти  .

    Порівняти    пораховані    значення    частот    основного    та   дзеркального   сигналів з

    виміряними

    Примітка: нагадаємо, що  ,   a   

  1.   Здійснити детектування    амплітудно-модульованого  ВЧ сигналу  від   генератора  

Г4-18А   ().  Зaмалювати осцилограми коливань на базі транзистора та на виході фільтра низької частоти  (вихід  ). Побудувати залежність         ( )                               

ОФОРМЛЕННЯ  ЗВІТУ

  1.  Вказати назву роботи та її мету.
  2.  Накреслити принципову схему макету.
  3.  Привести результати вимірів по всім пунктам завдання та дати пояснення
  4.  Побудувати графіки  вказаних у завданні роботи залежностей, проаналізувати їх.
  5.  Зробити висновки щодо результатів виконаної роботи.

КОНТРОЛЬНІ  ПИТАННЯ

  1.  Що використовується у даній роботі як нелінійний елемент? Яким параметром характеризується його нелінійність? Від чого залежить цей параметр?

Чим відрізняється амплітудний модулятор від резонансного підсилювача?

Як має залежати ефективність амплітудної модуляції від режиму транзистора?

  1.  Як можна виділити у нелінійно-спотвореному гармонічному сигналі його вищі гармонічні складові?
  2.  Як по заданій частоті гетеродина та проміжній частоті визначити частоти основного і дзеркального каналів?
  3.  Як має залежати ефективність детектування транзистора від його режиму?
  4.  З яких міркувань має обиратися постійна часу фільтра на виході амплітудного детектора?

РЕКОМЕНДОВАНА  АПАРАТУРА

  1.  Генератор високочастотних коливань  Г4-18А.
  2.  Генератор низькочастотних коливань Г3-33  (Г3-34).
  3.  Мілівольтметр  В3-38.
  4.  Осцилограф
  5.  Мультиметр ВР-ІІ

ЛІТЕРАТУРА

 

  1.  Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. М.,1972.- С.628,  638-658
  2.  Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М., 1985.-С.370-373, 412-415

Левитський С.М. Принципи радіозв’язку. К., 2000.- С.3-17

Лабораторна робота № 3

МЕТОДИ КОРЕКЦІЇ ЧАСТОТНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

(ОДНО КАСКАДНИЙ ШИРОКОСМУГОВИЙ ПІДСИЛЮВАЧ НА БІПОЛЯРНОМУ  p–n–p  ТРАНЗИСТОРІ)

МЕТА  РОБОТИ

Ознайомитися з методами низькочастотної та високочастотної корекції частотних характеристик   - підсилювачів на біполярних транзисторах.

ЗАГАЛЬНІ  ПОЛОЖЕННЯ

1. 1.    Підсилювач на біполярному транзисторі

 У біполярному транзисторі прохідна (передавальна) характеристика  (залежність колекторного струму від вхідної напруги при заданій колекторній напрузі) має вигляд, зображений на рис.1         

У середній своїй частині вона має нахил   (крутість прохідної характеристики)   і в околі робочої точки О, що встановлюється зміщенням  , прирости колекторного струму  будуть пропорційними до приростів базово-емітерної напруги  .

У схемі підсилювача на  біполярному транзисторі (рис.2) ці прирости забезпечуються джерелом вхідної змінної напруги ; зміщення утворюється джерелом постійної напруги  , яке забезпечує розташування робочої точки О на прямолінійній ділянці прохідної характеристики. Отже, прирости колекторного струму будуть  .

Ці прирости колекторного струму   «проштовхуються » через опір навантаження  , що стоїть у колі колектора, і створюють на ньому прирости напруги  .

Змінні у часі прирости   вільно проходять через розділовий конденсатор , який відокремлює їх від постійної компоненти колекторної напруги  , і утворюють вихідну напругу підсилювача, яка буде у   разів більшою за вхідну напругу                   

Для більшої точності треба враховувати також вихідну провідність біполярного транзистора  , яка шунтує (по змінній компоненті) навантажувальний опір .  Отже, ефективний опір навантаження буде

 

і реальний коефіцієнт підсилення  -

                                                                                                                                                                                                                                  

                                                                                               *   )

1. 2.   Амплітудно-частотна характеристика в області низьких частот

          У реальних схемах підсилювачів зміщення   створюється не за допомогою окремого джерела постійної напруги (як то зображено на рис.2), а за допомогою дільника   (рис.3). А щоб наявність джерела вхідного сигналу   не впливала на режим базового кола, воно відокремлюється від нього розділовою ємністю  .           

           

На жаль, це призводить до того, що вхідна напруга, створена джерелом   , не надходить безпосередньо до бази транзистора, а проходить спочатку через ємнісно-резистивний дільник, утворений розділовою ємністю  та паралельно увімкненими опорами  .  

Цей дільник послаблює сигнал з                                         частотою   у    разів

                                                                                                                          

     Для достатньо високих частот це послаблення непомітне, але для низьких частот це призводить до того, що амплітудно-частотна характеристика АЧХ  (залежність коефіцієнта підсилення від частоти) набуває вигляду, зображеного на рис.4.  Як видно, для високих частот    прямує до визначеного вище значення   , але для низьких частот  зазнає істотного зменшення, прямуючи до нуля при  .

Вважається, що підсилювач може задовільно працювати до частоти , де  зменшується до  0,71 від . Ця частота має назву нижньої граничної частоти підсилювача і дорівнює     .

                                               

*   )      Крутість прохідної характеристики може бути виражена через  -параметри  як       

       і, отже, вираз для коефіцієнту підсилення набуває вигляду                   

1. 3.   Корекція АЧХ в області низьких частот

                                               

Звичайно бажано розширювати область рівномірного підсилення, знижуючи значення граничної частоти .  Зрозуміло, це можна зробити, збільшуючи сталу часу . Але якщо з якихось причин це не можна або складно зробити, то можна застосувати корекцію низьких частот, яка також дозволяє знижувати   (рис.5).

  Тут навантаження у колі колектора складається з двох опорів   і  , останній з яких зашунтований ємністю  .  На достатньо високих частотах ця ємність закорочує точку    на землю, так що навантаження у колі колектора буде просто  .

Але на низьких частотах   являє собою великий опір, і колекторний струм має проходити додатково ще  й через опір  .

Таким чином, загальний опір у колі колектора збільшується, збільшується і коефіцієнт підсилення. Якщо правильно підібрати   і   , то можна у значній мірі зкомпенсувати втрати у підсиленні, які спричинюються вхідним  дільником    (крива 2 рис.6).  При цьому нижня гранична частота знизиться до . Якщо ж «перебрати» у значеннях     і   , то на АЧХ в області низьких частот може навіть виникнути горб (крива 3),  що також є небажаним.* )

          * )  Комірка         відіграє   ще   одну    позитивну роль:      вона   є     фільтром     (для достатньо    високих   частот),  що  не    допускає   коливання     колекторного   струму   до джерела джерела живлення схеми, “розв’язуючи”  таким чином   наш  підсилювач   по відношенню до його живлення.

1. 4.   Aмплітудно-частотна характеристика в області високих частот

     Відомо, що   біполярний    транзистор є   інерційним пристроєм, коефіцієнт   керування струмом якого    знижується на високих частотах, зменшуючись у   на граничній частоті   . Отже, і коефіцієнт підсилення підсилювача, побудованого на такому транзисторі, має знижуватися в області високих частот.

    Але є ще одна причина (так би мовити,  схемотехнічного характеру), яка спричинює зменшення  з підвищенням частоти. Це наявність паразитної ємності    , яка шунтує  навантажувальний опір   (рис.7)

На низьких  частотах її вплив   непомітний,   але  в       області      високих  частот     слід     ураховувати, що ефективне   навантаження      транзистора      буде  складатися  тепер  з паралельно з’єднаних    і  

Тепер  змінна  компонента     колекторного    струму  (прирости  )    замість того,  щоб  «чесно»    проходити   через    опір     , частково  збігає  на  землю   через  ємність  , зменшуючись в 0,71   разів на частоті   .

Отже, під дією цих двох чинників - власної інерційності транзистора і наявності ємності   -  загальне підсилення каскаду має зменшуватися з підвищенням частоти  (рис.9, крива 1).

1. 5.  Корекція  АЧХ  в області  високих  частот

1. 5. 1.    Паралельний і послідовний методи корекції

Цю втрату  у коефіцієнті підсилення можна частково зкомпенсувати, увімкнувши в коло колектора послідовно з опором    невелику індуктивність   (рис.8). Загальний (комплексний) опір у колі колектора   зростатиме з частотою і це призведе до деякого підвищення коефіцієнту підсилення (крива 2 рис.9). Відповідно трохи підвищиться верхня гранична частота  .

Проте тут треба бути обережним з підбором величини . Справа в тому, що ця індуктивність разом  з   і     створює коливальний контур. При малих значеннях  цей контур є аперіодичним, але якщо  «перебрати»  у значенні   , то контур стає коливним і на АЧХ з’являється горб (крива 3 рис.9). Така перекорекція також не бажана. Тому параметри контуру    слід обирати так, щоб цей контур був близьким до критичного. Такий метод корекції має назву паралельного (бо у колекторному колі утворюється щось подібне до паралельного контуру)

                       

Але існує й інший метод  корекції АЧХ в області високих частот - так званий послідовний метод  (рис.10). Тут на виході каскаду вмикається невелика індуктивність  , яка разом з вхідною ємністю наступного каскаду   утворює послідовний коливний контур. При наближенні до його резонансу (а це має бути на частотах близьких до ) напруга на ємності   зростає, що також частково компенсує вищезгадані втрати у коефіцієнті підсилення в області високих частот. Цей контур також має бути близьким до критичного.              

  1.  

                                                  

  1.  5. 2.    Емітерна корекція АЧХ

        У реальних каскадах підсилювачів для стабілізації режиму звичайно вмикають у коло емітера невеликий опір , що створює негативний зворотний зв’язок (НЗЗ) за режимом і стабілізує положення робочої точки транзистора. Але, оскільки при цьому має зменшуватися за рахунок  НЗЗ і загальний коефіцієнт підсилення, то опір    шунтують великою ємністю  , яка пропускає через себе усі змінні компоненти емітерного струму.

Таким чином, негативний зворотний зв’язок за режимом (що і стабілізує режим транзистора) зберігається, а  НЗЗ за сигналом  знімається.

Але можна  так вдало підібрати сталу часу  ,   щоб  закорочувальна  дія ємності   давала ознаки , починаючи з частоти  , на якій    некорегованого каскаду (крива 1 рис.12)  починає спадати.

Тоді на всіх частотах нижчих за   буде у повній мірі діяти НЗЗ, який «осаджує» АЧХ (крива 2 рис.12). Але на частотах  близьких до   цей НЗЗ  знімається  і АЧХ буде такою, як у некогерованого каскаду. В результаті, хоча і є втрати у загальному коефіцієнті підсилення, але рівномірність АЧХ буде зберігатися до більш високої частоти  .

2.   ОПИС  МАКЕТУ  СХЕМИ                                                                                                             

Даний макет являє собою однокаскадний широкосмуговий підсилювач на біполярному    транзисторі.

Базова напруга, що встановлює робочу точку транзистора, подається через дільник  .    На   базу  через  розділову   ємність    подається вхідний сигнал від генераторів Г3-33 або  Г4-18А.  Опір    у колі емітера слугує для стабілізації робочої точки. Він шунтується ємностями    або   . Навантаженням у колі колектора є опір  . Послідовно з ним може бути увімкнена індуктивність  , яка слугує для паралельної корекції в області високих частот.

Підсилений сигнал подається на вихід через розділову ємність  . Навантаження на виході утворюється опором   , який шунтується ємністю  . Послідовно у вихідному колі може бути увімкнена індуктивність  , яка слугує для послідовної корекції на високих частотах.

Живлення до колектора подається через опір , який разом з ємностями    або   утворює фільтр низьких частот, який не пропускає коливань колекторного струму до джерела живлення.  Разом з тим, для найнижчих частот, на яких ємності   або  стають непровідними, опір   додається до опору    і таким чином збільшує коефіцієнт підсилення, частково компенсуючи втрати у підсиленні в області низьких частот.

ЗАВДАННЯ  ТА  ПОРЯДОК  ВИКОНАННЯ  РОБОТИ

    

  1.  Уважно ознайомитися з макетом;  зрозуміти призначення та функції його окремих елементів; перевірити правильність підключення приладів до макету. Увімкнути живлення вимірювальних приладів для їх прогрівання (10-15хвил.).

Подати на вхід підсилювача НЧ коливання від генератора Г3-33. Виміряти   АЧХ   підсилювача   без корекції та з НЧ корекцією в діапазоні частот (30Гц100кГц)   при вхідній напрузі  . Частоту змінювати шляхом подвоєння від початкового значення    ().

  1.  Подати на вхід підсилювача коливання від ВЧ генератора Г4-18А.   Установити вхідну напругу такої величини, щоб при частоті     вольтметр на виході повторив відлік попередніх вимірів (п.2) для цієї ж частоти.  Одержати  АЧХ  підсилювача  без  ВЧ  корекції  в  діапазоні  частот  (0,1  7,0) МГц.    Частота  змінюється також  шляхом подвоєння від  початкового значення   ().

Виміряти  окремо амплітудно-частотні характеристики  з послідовною,     паралельною  та   емітерною  корекцією  у  вказаному  діапазоні       частот.

Примітка:   Корегуючі індуктивності вимикаються  з схеми шляхом їх  закорочування  за допомогою тумблерів.

 

  1.  Всі  АЧХ (виміряні як в області низьких частот, так і високих) побудувати разом.  Масштаб  по осі    частот   логарифмічний, тобто вздовж осі Х відкладаються  частоти з таблиці вимірів з фіксованим інтервалом.

Вихідна   напруга по осі ординат відкладається у відносних одиницях

   Примітка:     Звернути  увагу на те, що   має різні  значення  для  АЧХ  з різними  методами   ВЧ  корекції.   

                    

  1.  Вимкнути живлення макету та приладів.

ОФОРМЛЕННЯ  ЗВІТУ

  1.  Вказати назву лабораторної роботи та її мету.
  2.  Накреслити  принципову схему макету.
  3.  Привести  результати вимірів по всім пунктам завдання, дати пояснення.
  4.  Побудувати  графіки вказаних у  роботі залежностей та  проаналізувати їх.
  5.  Зробити  висновки щодо результатів виконаної роботи.

КОНТРОЛЬНІ  ПИТАННЯ

  1.  Що є  причиною зниження коефіцієнту підсилення в області низьких частот?
  2.  Як  відбувається корекція низьких частот за допомогою комірки фільтра  ,

 увімкненого послідовно з опором навантаження  ?

  1.  Який  корисний ефект дає комірка фільтру    окрім корекції низьких частот?
  2.  Що є  причиною зниження коефіцієнту підсилення в області високих частот?
  3.  Як  відбувається корекція високих частот паралельним методом?
  4.  Що  таке перекорекція?   При яких умовах вона спостерігається?
  5.  На  скільки має зсуватися верхня гранична частота при оптимальній паралельній

корекції?

  1.  Як  відбувається корекція високих частот послідовним методом?
  2.  Для  чого   ставиться в колі емітера опір ?    Для  чого  він    шунтується великою

ємністю   ?

  10.  Як  здійснюється емітерна корекція  високих частот?

Лабораторна робота № 4

ДОСЛІДЖЕННЯ  РОБОТИ  RC - ГЕНЕРАТОРА

МЕТА  РОБОТИ

Ознайомитися з роботою автогенератора, який складається з широкосмугового двокаскадного підсилювача на біполярних транзисторах та Г-подібного    - фільтру.

1.  ЗАГАЛЬНІ  ПОЛОЖЕННЯ

- автогенератором називається автогенератор, в якому умови самозбудження забезпечуються частотно-вибірковим колом зворотного зв’язку, що складається з резисторів та ємностей (без застосування індуктивностей). Такі автогенератори   використовуються здебільшого для генерування коливань порівняно низьких частот, де застосування  індуктивностей є небажаним.

Автогенератор, що вивчається в даній роботі, складається з широкосмугового двокаскадного підсилювача на біполярних транзисторах та Г-подібного -фільтру, через який на вхід підсилювача подається позитивний зворотний зв’язок. Для регулювання коефіцієнта підсилення підсилювача застосовується негативний зворотний зв’язок незалежний від частоти.

1.   Умови самозбудження автогенератора

Як відомо, для самозбудження підсилювача, що має коефіцієнт підсилення  , охопленого зворотним зв’язком через чотириполюсник  з   передавальним  коефіцієнтом  (рис.1),  мають бути виконані дві умови:

-   фазова умова, яка вимагає, щоб загальний набіг фази по колу зворотного зв’язку, що складається з набігу фази у підсилювачі   та набігу фази у чотириполюснику зворотного зв’язку  , дорівнював у  сумі    (n=0,1,2,3,...).  Ця умова виконується звичайно на якійсь певній частоті   

-  амплітудна умова, яка вимагає, щоб добуток   коефіцієнта   підсилення  підсилювача на частоті     і   послаблення   чотириполюсника   зворотного зв’язку   на   цій же частоті   був більшим від одиниці         

Лише при одночасному виконанні цих двох умов коливання в системі будуть зростати у часі за експоненціальним  законом і саме на частоті .

2.   Усталений  режим  автогенератора

Експоненціальне зростання амплітуди коливань буде тривати доти, доки коливання не будуть виходити за межі прямолінійної ділянки прохідної характеристики транзисторів (рис.2). Лише за цих умов вихідна напруга підсилювача буде пропорційною до вхідної  і  коефіцієнт підсилення зберігає стале значення.

З виходом за межі лінійної ділянки прохідної характеристики величина вихідного сигналу обмежується і він припиняє зростання. При цьому коефіцієнт підсилення   відповідно знижується  (рис.3).  Амплітудна умова виконується все гірше, поки не  стане  нарешті  рівністю               

За таких умов коливання не будуть ані зростати, ані спадати. Це і є усталений режим автогенератора. Усталена вхідна амплітуда  , при якій це відбувається, визначається умовою   ,  а  вихідна напруга відповідно   .

 

1. 3.  Частотно-вибірковий  зворотний  зв’язок

У нашому макеті як чотириполюсник зворотного зв’язку застосовується Г-подібний  -фільтр, що складається з двох однакових резисторів   та ємностей   (рис.4)

                                                                                    

Особливістю цього фільтру є те, що на частоті    він має максимальний коефіцієнт проходження   .  На цій же частоті фільтр дає набіг фази  . Це дає підставу формально називати це явище квазірезонансом (хоча до справжнього резонансу в  -колах це не має ніякого відношення)  і використовувати дану схему як частотно-вибірковий елемент у колі зворотного зв’язку.

 

1. 4.   Виконання умов самозбудження та усталення коливань у даному макеті

                                                                                                              

В автогенераторі, який розглядається, фазова умова самозбудження виконується на частоті  квазірезонансу  , бо двокаскадний підсилювач обертає фазу сигналу на , а  - чотириполюсник має на цій частоті  .  Щодо амплітудної умови самозбудження  , то досить мати , щоб вона була виконана. При виконанні цієї умови амплітуда коливань в процесі самозбудження буде зростати доти, доки коефіцієнт підсилення підсилювача з причин нелінійних ефектів не знизиться до    і вказана нерівність не перетвориться на рівність, при якій амплітуда коливань досягає свого усталеного значення.

5.  Автогенератор  з  мостом  Віна

Даний генератор можна розглядати як автогенератор з мостом Віна.  Дійсно, його можна зобразити   у позначеннях,  наведених  на самому макеті, у вигляді  моста Віна, в якому  горизонтальна діагональ увімкнена до входів нашого підсилювача  (бази та емітера    вхідного   транзистора), а вертикальна діагональ являє собою вихід підсилювача  .  

                 

2.     ОПИС  МАКЕТУ  СХЕМИ

Макет  - генератора складається з трьох блоків:

-   блока  К  -     двокаскадного підсилювача на транзисторах  Т1  та  Т2;

-   блока   -    Г-подібного  RC-фільтра;

-   блока   -     кола негативного зворотного зв’язку на підсилювач                                                                     

 Блок  К  -  це звичайний двокаскадний підсилювач, зібраний на двох    транзисторах. Коефіцієнт підсилення можна регулювати, змінюючи величину опору навантаження першого транзистора   . Опором    та дільником    створюється   зміщення на базах транзисторів. Опір    і ємність   використовуються для стабілізації роботи другого каскаду.  Вхідна напруга підсилювача  -  ,  а вихідна напруга може зніматися з виходу   .

Блок     з’єднаний з виходом підсилювача   через розділову ємність   . Він складається з двох однакових регульованих опорів   i  та двох конденсаторів   . Як відомо, такий чотириполюсник має квазірезонансну частоту  ,  на якій у нього найбільший коефіцієнт пропускання (рівний 1/3)  та нульовий поворот фази.  Позитивний зворотний зв’язок     з виходу    подається на вхід підсилювача через ключ   к2.

Блок     утворює негативний зворотний зв’язок, подаючи сигнал з виходу підсилювача    на емітер транзистора  Т1.  Цей сигнал виявляється протифазним до вхідного сигналу    і тим зменшує загальну різницю потенціалів між базою та емітером. Завдяки цьому загальний коефіцієнт підсилення підсилювача зменшується. Глибина негативного зворотного зв’язку  НЗЗ  регулюється положенням точки  «а» на потенціометрі   .

 

ЗАВДАННЯ ТА ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

  Уважно ознайомитися з макетом;  зрозуміти призначення його окремих елементів і

блоків. Увімкнути живлення вимірювальних приладів для прогрівання  (10-15хвил.).

  Встановити  значення  опорів   та    порядку  декількох   кілоом       (значення  

цих опорів у кілоомах подано на шкалі регулювання).  Підрахувати квазірезонансну частоту     чотириполюсника  (саме її буде генерувати - генератор).                                                         

  З   метою   вивчення   властивостей   нашого   підсилювача  (блок “К”)    включити

живлення макету (замкнути ключ  “к1”).  Ключ “к2” розімкнутий (тим самим знімається зворотний зв’язок через блок “”   і маємо “чистий”  підсилювач).

Регулюючи опір  та положення   точки    «а»   на потенціометрі          (коло негативного   зворотного  зв’язку “” ),    встановити  в околі  обчисленої частоти    коефіцієнт   підсилення  підсилювача “К”  більше трьох     ( )  

    Для  цього на вхід  схеми “” подати коливання від генератора Г3-33, до клем  “” приєднати мілівольтметр В3-38.     При цьому величина вхідної напруги   має бути невеликою (менше кількох десятих вольта), щоб підсилювач працював у лінійному режимі.                                                                           

 Підтримуючи негативний зворотний зв’язок  НЗЗ незмінним,  виміряти амплітудну  

характеристику підсилювача в межах зміни  від 0,1В до 1В           (через  

   Побудувати  графік  .    Визначити   значення     , при  якому  коефіцієнт підсилення     (саме при цьому підсиленні встановиться усталений режим генератора.

                                                                      

Вивчити властивості чотириполюсника  зворотного  зв’язку  (блоку “”).

   З цією метою вимкнути джерело живлення схеми (розімкнути ключ  “к1”).  Виміряти    амплітудно-частотну   та фазово-частотну характеристики чотириполюсника  “” 

    Для   цього    на    вхід       чотириполюсника   (клеми “”)   подати   коливання   від  генератора Г3-33 (Г3-34).  З виходу чотириполюсника (клеми “” ) вихідну       напругу подати на:

  а) мілівольтметр В3-38 (для вимірів амплітудно-частотної  характеристики);

  б)   вхід “У” осцилографа  С1-5 (СИ-1) (для вимірів фазово-частотної характеристики).

   Обидві   характеристики знімати  в діапазоні частот    .

    Порівняти  виміряну  квазірезонансну частоту   з частотою , підрахованою в п.2 .  На квазірезонансній частоті  коефіцієнт передачі   має бути рівним  1/3  ().                                                                                                            

 Переконатися, що  досліджуваний  RC-генератор дійсно генерує коливання.

         З цією  метою зовнішній генератор Г3-33  відключити  від  схеми.   Коливання      від   

    генератора   подати    на  “Х”  вхід   осцилографа  С1-5 (СИ-1).     До      клем          «»

    підключити    вольтметр або «Y» вхід осцилографа.   

    Увімкнути   джерело  живлення   макету   (ключ “к1”).  Ключем  “к2”  замкнути      коло   

    позитивного  зворотного зв’язку.  Перевірити   наявність   генерації   (за        допомогою  

    вольтметра і осцилографа) .

    Виміряти частоту генерованих коливань методом фігур Ліссажу.   Для цього      шляхом

    повільної зміни частоти генератора в околі     одержати на екрані осцилографа еліпс,

    уточнюючи тим самим значення квазірезонансної частоти ,   на якій загальний набіг

    фази по кільцю зворотного зв’язку буде нульовим. Це   і буде частота генерації  нашого

     – генератора.

     Виміряти   амплітуду   усталених   коливань .   Вона   має   бути   такою,   при якій

    виміряний в   п.4    коефіцієнт   підсилення    дорівнює  трьом.    Саме   при         цьому

    задовольнятиметься     амплітудна     умова    усталених    коливань         (де

    ).                                                                                                                             

Вимкнути живлення макету та приладів

ОФОРМЛЕННЯ  ЗВІТУ

Вказати назву роботи та її мету.

Накреслити принципову схему макету.

3.  Привести  результати вимірів по всім пунктам завдання та  пояснити їх.

4.  Побудувати графіки вказаних y завданні роботи залежностей і проаналізувати їх.

5.  Зробити висновки щодо отриманих результатів роботи.

КОНТРОЛЬНІ  ПИТАННЯ

 На який кут обертає фазу двокаскадний підсилювач (на середніх частотах)?

Як можна на даному макеті регулювати величину коефіцієнта підсилення підсилювача?

Що таке квазірезонанс  Г-подібного  - фільтра у даному макеті?

На якій частоті буде виконуватися на даному макеті фазова умова самозбудження?

Якою має бути амплітудна умова самозбудження?

За якої умови припиниться зростання коливань при самозбудженні?

Як визначити усталену амплітуду коливань, що генеруються в даному макеті?

РЕКОМЕНДОВАНА  АПАРАТУРА

Генератор  низької частоти  Г3-33  (Г3-34)

Мілівольтметр  В3-38

Осцилограф  С1-5  (СИ-1)

ЛІТЕРАТУРА

Манаев Е. И.  Основы радиоэлектроники.

М., Сов. радио.1976.-С.193-196, 327-329 М., Сов. радио. 1985. - С. 175-178, 310-314

           Лабораторна робота № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ  РОБОТИ    LC - ГЕНЕРАТОРА

МЕТА  РОБОТИ

На лабораторному макеті дослідити роботу транзисторного  -автогенератора, що генерує коливання синусоїдальної форми.

  1.  ЗАГАЛЬНІ  ПОЛОЖЕННЯ

Радіоелектронний пристрій, у якому спонтанно (тобто, самовільно, без будь-якого впливу ззовні) виникають та встановлюються періодичні коливання, має назву автогенератора.

У даній лабораторній роботі досліджується транзисторний -генератор, що генерує коливання синусоїдальної форми.

  1.  1.     Самозбудження  автогенератора

Даний автогенератор, як і більшість інших автогенераторів, складається з блоку підсилення    і блоку позитивного зворотного зв’язку     (рис.1)

Блок підсилення являє собою біполярний транзистор, навантажений -контуром, які разом складають резонансний підсилювач, який має коефіцієнт підсилення    на резонансній частоті  .  Зворотний зв’язок здійснюється через взаємоіндуктивність    і  забезпечує  коефіцієнт передачі    (рис.2).

Як відомо, для самозбудження подібної системи мають бути виконані дві умови: фазова та амплітудна. Фазова умова полягає в тому, що  набіг фази у підсилювальному блоці    та набіг фази у блоці зворотного зв’язку     мають становити   в сумі    ().  Отже, сигнал з частотою  ,  обійшовши усе коло і повернувшись до початкової точки, повинен мати ту ж саму фазу, що і початковий сигнал, який його збудив.

Сутність амплітудної умови в тому, щоб сигнал з частотою  , обійшовши усе коло, був хоча б трішки більшим від того початкового сигналу, що його збудив:

У резонансному підсилювачі підсилений сигнал (на колекторі)  є оберненим по фазі до вхідного сигналу (на базі) на 1800. Отже, для того, щоб виконати фазову умову, цей сигнал при проходженні через трансформаторний зворотний зв’язок треба повернути додатково ще на 1800. Це здійснюється відповідним увімкненням котушок контуру     та зворотного зв’язку . У даному макеті котушки увімкнені саме в такій полярності.

Коефіцієнт підсилення у резонансному підсилювачі на резонансній частоті    в першому наближенні дорівнює

де   -     крутість прохідної характеристики в околі робочої точки,

     - еквівалентний опір контуру на резонансній частоті     ( - активний опір у колі контуру).

Отже, амплітудною умовою самозбудження  буде   

                                або                                         (1)

Самозбудження відбувається, коли взаємоіндуктивність перевищує критичне значення

У нашому макеті опір     є незмінним;    та    можуть регулюватися. Що ж до величини  , то вона залежить від положення робочої точки на прохідній характеристиці транзистора. При зменшенні опору    в колі бази робоча точка піднімається по прохідній характеристиці, загальний струм   , що вимірюється вмонтованим на макеті міліамперметром, зростає і разом з ним зростає крутість  .

Отже, слід очікувати, що при фіксованому значенні    разом зі зменшенням ємності контуру    буде зменшуватися і взаємоіндуктивність   , потрібна для самозбудження генератора.  А при  фіксованому значенні    із збільшенням крутості   має зменшуватися критична взаємоіндуктивність   .                         

                                                                               

1. 2.     Усталений  режим  автогенератора

                                                                            

     При одночасному виконанні як фазової, так  i амплітудної умов коливання з частотою  будуть експоненціально зростати у часі, аж доки не досягнуть усталеного значення.                                                                                                                                           

Причиною такого обмеження зростання амплітуди коливань є те, що зі збільшенням їх амплітуди усереднена крутість  прохідної характеристики  зменшується  (рис.3) і нерівність  (1)  прямує до рівності. При цьому амплітуда коливань не буде ані зростати, ані спадати. Це і є усталений режим  автогенератора.

                                                                                       

Усталена амплітуда коливань    залежить звичайно від величини зворотного зв’язку.  При    коливання взагалі відсутні.  При   їх усталена амплітуда зростає зі збільшенням величини   (рис.4).

В міру збільшення навантаження на генератор (зменшення опору  ) усталена амплітуда зменшується, що є цілком природним. Разом з тим збільшується і критичне значення   , потрібне для самозбудження, яке при більшому навантаженні утруднюється.

                                                              

  1.   ОПИС  МАКЕТУ  СХЕМИ

  

                                                 

Схему   автогенератора зібрано на біполярному    транзисторі, навантаженому  -контуром. Разом з цим контуром транзистор утворює резонансний підсилювач. Контур може настроюватися змінною ємністю  .

Схема живиться від джерела постійної напруги    через ключ « к ». Міліамперметр  вимірює  загальний струм, що споживається схемою. Фільтр    не пропускає коливань струму до джерела живлення.

У коло емітера увімкнено  опір    і ємність    для стабілізації режиму транзистора.

Зміщення на базу подається через дільник   ; змінним опором    це зміщення  (величина напруги база-емітер)  може плавно регулюватися.  Ці опори разом з ємністю   утворюють гридлік, що забезпечує автоматичне зміщення - зсув робочої точки транзистора в міру зростання амплітуди генерованих коливань.

Через взаємоіндуктивність    утворюється трансформаторний зворотний зв’язок, який може плавно регулюватися шляхом зближення котушок індуктивності    і   .

Через розділову ємність    до генератора приєднано навантажувальний опір   , при зменшенні якого навантаження на генератор збільшується.

До виходу    може бути приєднано вольтметр, мультиметр або осцилограф для спостереження амплітуди, частоти або форми генерованих коливань.                 

                         

ЗАВДАННЯ  ТА  ПОРЯДОК  ВИКОНАННЯ  РОБОТИ

                                              

  1.  Уважно ознайомитися з макетом;   зрозуміти   призначення  його окремих елементів;

перевірити правильність підключення приладів до схеми.  Увімкнути живлення приладів для прогрівання (10-15хвил.)

                                                                      

  1.  Установити режим схеми без генерації.         Для цього зробити мінімальним зв’язок

між базовим та колекторним колом, розсунувши найбільше котушки контуру та зворотного зв’язку. Увімкнути живлення макету  і регулюванням опору    встановити струм    порядку  1,5 мА. Опір навантаження    мінімальний   (щоб не допустити генерації).

                                                                                                                                                                                                             

  1.  Установити  найменше значення   (при цьому умова самозбудження  найлегше виконується).                                                                                                                                 

    Зближуючи котушки, добитися самозбудження схеми. Записати  значення     ,  при   

    якому виникає генерація.  За величиною  генерованих коливань можна  спостерігати  за  

    допомогою  осцилографа  або  мілівольтметра.   

    Виміряти  за   допомогою  мультиметра частоту  генерації  та  обчислити        значення    

    індуктивності  контуру   .

  1.     Повторити  п.3   для всіх інших значень,   кожного разу   змінюючи  зв’язок   від

мінімального до (тобто до  початку генерації). Проробити ці виміри для 2-3-х значень струму       .  

Побудувати графіки залежностей  (разом для всіх значень), пояснити  їх.

                                                                                                                       

  1.  Установивши певне  значення   ,  виміряти    залежність      усталеної амплітуди  

коливань    від величини    для двох крайніх значень   .

    Побудувати  графіки залежностей  ,  – параметр;  дати відповідні пояснення    (графіки мають бути подібними до рис.4).

  1.  Установивши певні значення  та , виміряти  залежність  усталеної амплітуди

коливань      від величини      для  2-х     значень   навантажувального опору  . Побудувати графіки  – параметр;  пояснити їх.  (Зрозуміло, що під навантаженням амплітуда генерованих коливань має бути меншою, а самозбудження затруднюватися).

  1.  Вимкнути живлення макету та приладів

Попередження

  1.     При    значеннях   , близьких до критичного, генерація є нестійкою,    і

визначення  частоти генерації у  п.3 може бути непевним. Тому виміри частоти генерації слід вести при достатній величині  .  Стійкість генерації можна контролювати за допомогою осцилографа.

  1.     При     генератор     може   увійти   в   режим        переривчатої

генерації,   коли генерація періодично то виникає, то зривається (генератор «захлинається» від великої амплітуди створюваних коливань).  Цього режиму слід уникати, не збільшуючи надто зворотний зв’язок.

  1.   При великих амплітудах генерованих сигналів  (великих )  ці сигнали

стають вже трохи відмінними від чисто гармонічних, що можна побачити на осцилографі.

ОФОРМЛЕННЯ  ЗВІТУ

  1.  Вказати назву лабораторної роботи та її мету.
  2.  Накреслити принципову схему макету.
  3.  Привести результати вимірів по всім пунктам завдання,  дати пояснення.
  4.  Побудувати графіки вказаних у завданні роботи залежностей,  проаналізувати їх.
  5.  Зробити висновки щодо результатів виконаної роботи.

КОНТРОЛЬНІ  ПИТАННЯ

        

  1.  Які умови мають бути виконаними для самозбудження автогенератора? В чому вони полягають?
  2.  Як забезпечується виконання фазової умови у даному макеті  LC-генератора?
  3.  Що являє собою амплітудна умова для даного автогенератора? Як вона виражається через його параметри?
  4.  Як має залежати поріг самозбудження    від ємності контуру? Поясніть, чому саме так.
  5.  Як у даному макеті регулюється крутість прохідної характеристики?
  6.  Як має залежати поріг самозбудження    від крутості  ?
  7.  Як має залежати усталена амплітуда      від величини зворотного зв’язку  ?
  8.  Як має впливати опір навантаження на усталену амплітуду і поріг самозбудження?

РЕКОМЕНДОВАНА  АПАРАТУРА

  1.  Вольтметр   ( мілівольтметр В3-38)
  2.  Частотомір   (мультиметр  ВР-ІІ)
  3.  Осцилограф

ЛІТЕРАТУРА

  1.  Манаев Е.И.  Основы  радиоэлектроники.  М., Сов.радио. 1976.-С.299-315

     М., Радио и связь. 1985.-С.289-302

Лабораторна робота № 6

ДОСЛІДЖЕННЯ  РОБОТИ  МУЛЬТИВІБРАТОРІВ

МЕТА  РОБОТИ

На   лабораторному макеті дослідити  роботу мультивібратора з p-n-p транзистором.

У даному лабораторному макеті застосовані  p-n-p  транзистори, тоді як увесь матеріал лекційного курсу викладався на основі  n-p-n  транзисторів. Відмінність цих різновидів транзисторів полягає в тому, що в  p-n-p транзисторах усі струми і напруги мають знак, протилежний до струмів і напруг в  n-p-n транзисторах.

Отже,  p-n-p транзистори живляться від джерел з негативною напругою і відкриваються при подачі негативної напруги на базу.

1.   ЗАГАЛЬНІ  ПОЛОЖЕННЯ

Мультивібратор - це автогенератор періодичних імпульсів, за формою близьких до прямокутних. Він являє собою двокаскадний -підсилювач, охоплений стовідсотковим позитивним зворотним зв’язком. Звичайно мультивібратор зображують у вигляді симетричної схеми (рис.1)

Проте ця схема не може перебувати в симетричному режимі. Сильний зворотний зв’язок приводить до того, що початковий стан рівноваги (в момент увімкнення схеми) завжди нестійкий. Кожний з каскадів інвертує сигнал і тому випадково виникла флуктуація, пройшовши через обидва каскади, повернеться у вихідну точку з попередньою полярністю і підсиленою в   разів  ( - коефіцієнт підсилення кожного з каскадів)

1. 1.    Якісний  розгляд  роботи  автоколивного  мультивібратора

Припустимо, що струм колектора    першого транзистора  VT1 з якоїсь причини зменшився, це спричинить збільшення за абсолютною величиною напруги на його колекторі  .  Стрибок  напруги від    пройде через ємність    і приведе до відповідного збільшення потенціалу бази     другого транзистора  VT2  (оскільки заряд конденсатора не може змінюватися миттєво, то різниця потенціалів на його обкладинках при стрибку напруги залишається практично постійною).  Струм колектора другого транзистора    при цьому збільшиться,  напруга    зменшиться, а, отже, зменшиться і напруга бази першого колектора  , що спричинить подальше зменшення колекторного струму першого транзистора  .   Цей процес буде розвиватися в геометричній прогресії,  лавиноподібно і в результаті приведе до розриву кола зворотного зв’язку в системі, бо перший транзистор VT1  повністю закриється,  а другий  VT2 -  відкриється.  Розвиток  лавиноподібного процесу обривається і  такому стані схема перебуватиме деякий час

Простежимо далі за зміною напруги    на базі першого транзистора  VT1, який закрився.    Ця напруга дорівнює      

Оскільки рахуємо, що VT2  відкритий до насичення,  напруга    практично близька до нуля, і можна вважати, що  

 

Нехай в початковий момент часу напруга на    відповідає деякому позитивному значенню    (рис.2).  Отже, транзистор  VT1  можна вважати закритим *) .

З часом ємність    буде перезаряджуватися від джерела   через резистор    і відкритий транзистор  VT2.  Напруга на    буде прямувати до   за законом

                   (1)

 

де      (опором джерела і відкритого транзистора  VT2  нехтуємо)

Але   при    напруга на базі першого транзистора    стає негативною і  VT1 відкривається. Починається зворотний лавиноподібний процес -  VT1  відкривається,  VT2   закривається.  І далі цей процес буде циклічно повторюватися.  Час перебування транзисторів  VT1   та  VT2  у закритому стані  близький до величин    і   .

Щоб уявити собі хід процесів у всій схемі в цілому,  розглянемо систему епюр, на яких зображені одночасні зміни напруги на базах та колекторах обох транзисторів (рис.3)

Коли один з транзисторів відкривається, його колекторна напруга стрибком збільшується  від     до напруги насичення   , яка звичайно складає декілька   десятих вольта.  При запиранні транзистора  напруга на колекторі знову спадає  до .  Отже, колекторна напруга кожного з транзисторів має являти  собою періодичні імпульси прямокутної  форми з амплітудою   .

Напруга на базах транзисторів визначається процесами перезарядки ємностей    і    через резистори    та    і має вигляд імпульсів за формою близьких до трикутної.

Наведену картину слід доповнити деякими уточненнями. Так, після запирання  VT2  починається відновлення заряду на ємності    по колу :  джерело живлення  , опір   і емітерно-базовий  (p-n) перехід  відкритого VT1 транзистора.  Цей процес буде відбуватися зі сталою часу   і  закінчиться тим, що напруга   досягне  рівня  .

Але поки йтиме цей процес, через опір    протікатиме струм, і напруга    буде залишатися дещо вищою від  . Тому передній фронт імпульсу напруги    виходить закругленим,  і напруга    встановиться рівною   лише тоді, коли мине час .

*) Нагадаємо, що при позитивній напрузі на базі  p-n-p  транзистор  є закритим,  а при  негативній  - відкритим

Одночасно при протіканні струму, що заряджує ємність  через базово-емітерний перехід  VT1, на останньому буде створюватися невеликий негативний імпульс напруги  , який викличе невелике додаткове зменшення струму    і короткочасне збільшення   .

Все це справедливо і для перезарядки ємності   , коли закритим буде транзистор VT1.

  1.  2.     Схема  мультивібратора  з  діодами

Особливістю схеми мультивібратора, зображеного на рис.4, є те, що в ньому з метою покращення форми генерованих імпульсів у колі колекторів поставлені ще діоди    і  опори   .

Коли транзистор  VT1 є закритим, струм, що перезаряджує ємність  , іде від джерела    через опір   , ємність   , діод  Д2  і відкритий транзистор  VT2.

Коли ж транзистор  VT2  закривається, струм, що відновлює заряд ємності   , протікає через   , ємність    і базово-емітерний перехід відкритого  VT1.  Цей струм обминає опір   (бо діод  Д2  буде закритим)  і тому в момент закривання  VT2  напруга на його колекторі відразу спадає до .  Отже, імпульси, що утворюються на колекторах транзисторів, будуть чисто прямокутними, з різкими фронтами.

2.    ОЧІКУЮЧИЙ  МУЛЬТИВІБРАТОР

Розглянутий вище мультивібратор має два тимчасово-стійких стани, в яких він утримується перехідними процесами в ланцюгах    і   . З одного стану в інший він переходить стрибком.

Існує різновид мультивібраторної схеми, яка має один постійно-стаціонарний режим і один тимчасово-стаціонарний. Звичайно схема знаходиться в постійно-стійкому стані, але під дією короткого пускового імпульсу переходить в збуджений тимчасово-стійкий. По закінченні певного часу схема виходить з цього стану і повертається в постійно-стаціонарний. Така схема має назву одновібратора, унівібратора, очікуючого або затриманого мультивібратора.

2. 1.    Очікуючий  мультивібратор  з  емітерним  зв’язком

Прикладом такого очікуючого мультивібратора може бути схема, зображена на рис.5. Це так званий очікуючий мультивібратор з емітерним зв’язком.  Тут транзистор  VT2  є постійно відкритим, бо на його базу через резистор    постійно подається від’ємна напруга від джерела .  Своїм емітерним струмом, що протікає через спільний емітерний опір   , він утримує транзистор  VT1 у постійно закритому стані.

Базово-емітерна напруга  VT1  дорівнює

                                      

                                

Якщо другий доданок тут є негативним  і намагається відкрити транзистор  VT1,  то перший є позитивним і утримує  VT1  у  закритому стані. Отже, режим схеми підбирається так, щоб перший доданок був більшим за другий.

У такому стані схема може перебувати будь-який час, і на виході утримується мала негативна напруга.

При подачі на вхід негативного пускового імпульсу достатньої величини цей імпульс пересилює утримуючу дію напруги   ,  і  VT1  відкривається.  Напруга на його колекторі стрибком підвищується (стає менш негативною). Цей позитивний стрибок передається через ємність    на базу транзистора  VT2  і закриває його. Напруга на виході стрибком досягає значення .

Але поволі через опір   , ємність  , відкритий транзистор  VT1  і опір    ємність    перезаряджується від джерела .  Напруга на базі  VT2  стає все менш позитивною і нарешті через час, сумірний зі сталою часу   , коли базово-емітерна напруга  VT2  проходить через нуль, цей транзистор відкривається,  і схема повертається у вихідний стан.                      

                         

В результаті на виході генерується негативний прямокутний імпульс з різкими фронтами  (рис.6).

                  

Як  уже згадувалось, пусковий імпульс має бути за абсолютною величиною більшим від напруги, що утримує транзистор  VT1  у закритому стані.  А тривалість цього пускового імпульсу повинна бути значно меншою від тривалості вихідного імпульсу   . Якщо імпульс, яким хочемо запустити наш очікуючий мультивібратор, є надто довгим, його слід укоротити шляхом диференціювання на вхідній  -комірці.

                                                                                        

                                          

3.    ОПИС  МАКЕТУ  СХЕМИ                                                           

Лабораторний макет складається з двох частин:

-  симетричного автоколивного мультивібратора на транзисторах  V1 і V4;

-  очікуючого мультивібратора на транзисторах  V6, V7, V8.

Автоколивний мультивібратор відрізняється від «класичної» схеми наявністю відключаючих діодів  V2  і  V3  та опорів    і   . Це зроблено  з метою покращення форми генерованих імпульсів. Принцип дії цієї схеми описаний вище. Спостерігати форму імпульсів на колекторі і на базі можна в точках  КТ1 і КТ2. Діоди можна вмикати і вимикати за допомогою перемикача  П1  (перемикач -  на макеті схеми).  При виключених діодах передній фронт генерованих імпульсів є закругленим, а при включених - різким.

Очікуючий мультивібратор запускається від першої схеми. Генерований нею прямокутний імпульс диференціюється на  -комірці, що складається з ємності   і змінного опору  . Позитивний імпульс від диференціювання заднього фронту прямокутного імпульсу зрізається за допомогою діода  V5.

Очікуючий мультивібратор у макеті відрізняється від описаного в попередньому розділі наявністю транзистора  V7, який разом з опором    утворює емітерний повторювач. При верхньому положенні перемикача  П2  емітерний повторювач є відключеним, і схема відповідає зображеній на рис.5.  У нижньому положенні  П2  напруга з виходу першого транзистора  V6   подається на другий  V8 через емітерний повторювач і може регулюватися опором   . Це дає змогу регулювати ту стартову напругу на ємності , з якої починається її перезарядження, і тим самим регулювати тривалість імпульсів на виході схеми (в точці  КТ6).

ЗАВДАННЯ  ТА  ПОРЯДОК  ВИКОНАННЯ  РОБОТИ

  1.  Уважно ознайомитися з макетом;  зрозуміти призначення та функції окремих блоків і елементів схеми. Увімкнути живлення приладів для прогрівання (10-15 хвилин) та живлення макету.

  1.  Дослідити  симетричний мультивібратор з відключаючими діодами:

    а) замалювати осцилограми в контрольних точках КТ1 та КТ2 (на колекторі та на базі транзисторів)  без діодів та з діодами;     порівняти їх з зображеними на рис. 3.

    б) виміряти тривалість імпульсу в  т.КТ1 з діодами  та тривалість  переднього фронту імпульсу  в режимі відключених  діодів

  1.  Дослідити очікуючий мультивібратор з емітерним зв’язком:

    а) Встановити    (при цьому запуск очікуючого мультивібратора припиняється) .  Виміряти постійні потенціали в контрольних точках (КТ3, КТ4,  КТ5, КТ6, КТ7)  відносно загальної шини і  на підставі цих вимірів визначити амплітуду імпульсу, потрібну для запуску  очікуючого мультивібратора.

(Для запуску має бути виконана умова  )

    б) Визначити величину  , необхідну для формування імпульсу запуска з тривалістю не меншою  2  мкс     (для цього має бути    ).

    в) Встановити розраховане значення опору  .  При верхньому положенні перемикача  П2  замалювати осцилограми в точках  КТ3, КТ4, КТ5  та КТ6;  порівняти з рис.6.        Виміряти тривалість імпульсу на виході схеми (в точці  КТ6).

    г)  При нижньому положенні  перемикача П2 замалювати осцилограми в точках  КТ5  і  КТ6  для двох  крайніх значень опору  R14 .

   д)  Виміряти залежність тривалості імпульсу на виході схеми (точка КТ6) від значень опору     та побудувати графік       ()

  1.  Виключити живлення макету та схеми

ОФОРМЛЕННЯ  ЗВІТУ

  1.  Вказати назву  лабораторної роботи  та її мету.
  2.  Накреслити принципову схему макету.
  3.  Привести  результати вимірів по всім пунктам завдання і дати пояснення.
  4.  Побудувати  графіки вказаних у завданні роботи залежностей, проаналізувати їх.
  5.  Зробити висновки щодо  результатів виконаної роботи.

                                                                           

КОНТРОЛЬНІ  ПИТАННЯ

  1.  Чому мультивібратор не може перебувати постійно у симетричному режимі?
  2.  Якими елементами схеми визначається тривалість імпульсів, генерованих мультивібратором?
  3.  З якою метою в схемі макету мультивібратора стоять діоди? Як вони  працюють?
  4.  Як формується імпульс, що запускає очікуючий мультивібратор? Яке призначення діода  V5?
  5.  Якої полярності і якої величини має бути імпульс, що запускає очікуючий мультивібратор?
  6.  Чим визначається тривалість імпульсу на виході очікуючого мультивібратора при верхньому положенні перемикача П2?
  7.  Яке призначення транзистора V7?
  8.  Чому змінюється тривалість імпульсу на виході очікуючого мультивібратора (в точці КТ6)  при зміні опору   ?

РЕКОМЕНДОВАНА  АПАРАТУРА

     1.  Осцилограф   С1-5   (СИ-1)      

ЛІТЕРАТУРА

  1.  Молчанов А.П., Занадворов П.Н.  Курс электротехники и радиотехники. М., «Наука». 1976. - С. 410-415

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71464. Создание цифрового ортофототрансформированного снимка 99.5 KB
  Принципиальная схема цифрового ортофототрансформированния снимков представлена на рис.8 Исходными материалами при цифровом ортофототрансформировании снимков служат: цифровое изображение исходного фотоснимка; цифровая модель рельефа в большинстве случаев используется...
71465. Внутреннее ориентирование снимка в системе координат цифрового изображения 113.5 KB
  Для определения параметров внутреннего ориентирования снимка измеряют координаты изображений координатных меток снимка в системе координат цифрового изображения oC xC yC. Если в результате фотограмметрической калибровки съемочной камеры были определены координаты координатных меток...
71466. Наблюдение и измерение цифровых изображений 3.72 MB
  Координаты центров пикселов в левой прямоугольной системе координат цифрового изображения оC xC уC .1 началом которой является левый верхний угол цифрового изображения определяются в так называемых пиксельных координатах единицей измерения в этом случае является пиксел.
71467. Назначение и области применения цифрового трансформирования снимков 27.5 KB
  В частном случае если при трансформировании снимков не учитывается влияние кривизны Земли и проекции карты на положение контуров трансформированное изображение представляет собой ортогональную проекцию местности на горизонтальную плоскость.
71470. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ТОЧЕК ОБЪЕКТА ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ 46.5 KB
  Ее положение в системе координат объекта OXYZ определяет вектор RM. Вектор D определяет положение той же точки относительно начала системы координат радиолокационной системы Sxyz. Вектор RS задает начало системы координат радиолокационной системы Sxyz в системе координат объекта.